Удосконалення ефективності системи опалення і вентиляції кабіни машиніста локомотива використанням пристрою аеродинамічного нагріву повітря

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Удосконалення ефективності системи опалення і вентиляції кабіни машиніста локомотива використанням пристрою аеродинамічного нагріву повітря

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Загальна характеристика роботи

Багатоскладність транспортного процесу, що об'єднує в систему роботу мільйонів людей, розмаїтість машин і механізмів, процесу, безупинного за своєю природою, протяжного в просторі і в часу, вимагає високого ступеня координації праці усіх його учасників, точного урахування фізіологічних і психологічних закономірностей людського організму. У зв'язку з цим на транспорті, і також на залізничному, психологія, фізіологія і гігієна праці набули важливого значення і розвиваються більш інтенсивно, чим в інших галузях народного господарства.

Актуальність теми.

На сучасних локомотивах у опалювально-вентиляційних агрегатах (ОВА) використовуються для обігріву кабіни машиніста трубчасті електричні нагрівачі (ТЕН), електрокалорифери, чи секції радіаторів, залучені до системи охолодження енергетичного пристрою (для тепловозів). Їх застосування в конструкції ОВА спричиняє велику кількість хиб:

- застосування ТЕН і електрокалориферів створює підвищену небезпечність виникнення пожежі, тому що температура їх поверхні при роботі на номінальному режимі досягає 450 - 500 ^оС; влучення аерозольних часток на розпечену поверхню ТЕН наводить до утворення токсичних продуктів згоряння, що погіршує параметри мікроклімату в кабіні машиніста; високі значення напруги і сили току (110 В, 5А) створюють небезпеку поразки локомотивної бригади електричним струмом;

- застосування радіаторних секцій наводить до необхідності використання кольорових металів (міді, олова, свинцю, цинку), збільшенню трудомісткості виготовлення, шкідливості виробництва; у процесі експлуатації характеристики радіаторів стають нестабільними, вони часто виходять з ладу із-за порушення герметичності; у випадку замерзання теплоносія в радіаторі відбувається повна руйнація секції, яка не підлягає відновленню.

Усунення недоліків, властивих ОВА, що використовуються у цей час на локомотивах, можливе у випадку застосування пристрою аеродинамічного нагріву повітря (ПАН). Нагрів повітря в пристроях такого типу здійснюється за допомогою вентилятора, що перетворює механічну енергію обертів колеса вентилятора в аеродинамічну енергію потоку повітря, яка, у кінцевому рахунку, перетворюється в теплову. Крім цього, він забезпечує подачу повітря з необхідними теплофізичними параметрами в кабіну машиніста без використання допоміжного вентилятора.

Пристрої такого типу екологічно чисті, надійні в експлуатації, пожежо- і електробезпечні, мають набагато більший термін експлуатації.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Напрямок досліджень дисертаційної роботи узгоджується з переліком пріоритетних напрямків Міністерства з науки, технології і технічної політики (п. 5 «Екологічно чиста енергетика і технології, що зберігають ресурси»), та є частиною науково-дослідних робіт, які виконує Східноукраїнський державний університет.

Мета і задачі дослідження.

Ціллю досліджень є удосконалення системи опалення і вентиляції кабіни машиніста локомотива за допомогою використання пристрою аеродинамічного нагріву.

Для досягнення цієї мети в роботі вирішені такі задачі:

- проведене обґрунтування можливості створення ПАН для опалення і вентиляції кабіни машиніста локомотива;

- розроблена математична модель процесів, що відбуваються в пристроях аеродинамічного нагріву повітря та враховує вплив основних елементів конструкції на аеродинамічні характеристики ПАН; на підставі математичної моделі складені алгоритм та програма її реалізації на ЕОМ;

- розроблені напрямки можливого удосконалення пристроїв аеродинамічного нагрівання і вибір раціональних геометричних параметрів конструктивних елементів з метою збільшення тепловиробництва і зменшення масогабаритних показників пристрою;

- досліджено на фізичних моделях і натурних зразках вплив основних елементів конструкції на аеродинамічні характеристики ПАН;

- з урахуванням проведених експериментальних досліджень зроблене коригування математичної моделі і перевірена її адекватність;

- на підставі техніко-економічного аналізу з використанням програми реалізації математичної моделі проведений вибір раціональних варіантів пристроїв аеродинамічного нагріву для використання як опалювально-вентиляційний агрегат кабіни машиніста локомотива.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в:

- удосконаленні аеродинамічної схеми ПАН, яка підвищує аеродинамічні та енергетичні показники пристрою та дозволяє використовувати його як опалювально-вентиляційний агрегат кабіни машиніста локомотива;

- вперше одержаній математичній моделі ПАН, яка дозволяє визначити вплив на його аеродинамічні характеристики геометричних показників конструкції і отримати їх раціональні параметри;

- удосконаленні математичної моделі течії потоку у міжлопатевому каналі колеса відцентрового вентилятора, яка дістала подальший розвиток за допомогою використання чисельного вирішення диференціальних рівнянь, на підставі яких отримане більш коректне вирішення, у порівнянні із існуючими, у виді розподілу швидкості і тиску в міжлопатевому каналі;

- вперше одержаній методиці розрахунку сегментного розімкненого тороподібного трубопроводу у тримірному просторі, який є контуром рециркуляції ПАН та забезпечує його максимальну потужність;

- результатах комплексних експериментальних досліджень з визначення параметрів потоку повітря на вході у міжлопатевий канал колеса відцентрового вентилятора і на його виході, що дозволило отримати члени математичної моделі ПАН, яких бракує, а також отримати аеродинамічну характеристику відцентрового вентилятора за допомогою результатів зондування, яка збігається з характеристикою, що одержується за допомогою класичної методики.

Виконана дисертаційна робота дозволяє на основі теоретичних і експериментальних досліджень вирішити задачу вибору раціональної конструкції ПАН для кабіни машиніста локомотива.

Практичне значення одержаних результатів.

Результати теоретичних і експериментальних досліджень, а також програми розрахунку аеродинамічних характеристик ПАН і геометричних показників сегментного розімкненого тороподібного трубопроводу у тримірному просторі використовуються в проектних та дослідних підрозділах холдингової компанії «Луганськтепловоз».

Особистий внесок здобувача складається у:

- визначенні напрямків підвищення енергетичних показників ПАН у заданих габаритних розмірах і розробці раціонального варіанта конструкції;

- складанні математичної моделі ПАН та визначенні взаємного впливу геометричних параметрів елементів конструкції пристрою на його аеродинамічні характеристики;

- розробці методики розрахунку сегментного розімкненого тороподібного трубопроводу у тримірному просторі;

- розробці програмного забезпечення та розрахунків аеродинамічних характеристик ПАН на ЕОМ;

- визначенні аеродинамічних параметрів потоку повітря у відцентровому вентиляторі на вході у міжлопатевий канал колеса вентилятора і на виході з нього.

Апробація результатів дисертації.

Основні результати дисертаційної роботи повідомлені, обговорені і схвалені на міжнародних науково-технічних конференціях з проблем розвитку локомотивобудування: на VII конференції в 1997 р. (м. Новочеркаськ, Росія) і на VIII конференції у 1998 р. (м. Алушта, Крим), а також на науково-технічних конференціях СУДУ.

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 6 робіт і отриманий патент України. Бібліографічний список опублікованих робіт, що відбивають основні положення дисертації, приведений наприкінці автореферату.

Структура дисертації.

Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, і 2 додатків.

Загальний обсяг роботи 193 сторінок, 53 рисунків, 13 таблиць, 3 додатки на 42 сторінках, список використаних літературних джерел з 56 найменувань.

Основний зміст роботи

вентиляція машиніст локомотив опалення

У вступі показані актуальність і новизна теми, приведене коло розв'язуваних питань, дана загальна характеристика роботи.

У першому розділі міститься огляд і аналіз санітарно-гігієнічних норм, які пред'являються до мікроклімату кабіни машиніста локомотива. Дано оцінки з припустимих значень температури повітря, його рухомості, запиленню і концентрації шкідливих речовин.

Проблемам досліджень і поліпшень параметрів мікроклімату кабіни машиніста локомотива і пасажирських вагонів присвячені роботи вчених: Е.Д. Бренера, Ю.Б. Бушуйкіна, С.Г. Гріщенка, О.А.Кікнадзе, Б.Н.Кітаева, В.А. Ладиженського, И.Ю. Ломакіна, М.Г. Маханька, Ю.П. Мухіна, Г.И. Осад-чука, С.А. Сапожнікова, Ю.П.Сідорова, Ю.В. Терпетьянца, А. Хенача, М. Шмідта та інших.

Виходячи з викладеного вище, пропонується пристрій аеродинамічного нагріву повітря як опалювально-вентиляційний агрегат кабіни машиніста локомотива, який є екологічно чистим, надійним в експлуатації, пожежо- і електробезпечним та має набагато більший термін експлуатації.

На підставі огляду існуючих конструкцій пристроїв такого типу визначено, що вони не можуть бути використані для обігріву і вентиляції кабіни машиніста локомотива, із-за значних габаритних розмірів, що не дозволяють розмістити його на локомотиві. З метою мінімізації геометричних параметрів ПАН зроблено аналіз існуючих нагнітачів повітря, які дозволяють реалізувати максимальну потужність. Виходячи з цього, визначено, що такі характеристики забезпечують відцентрові вентилятори барабанного типу (Ц15-45, Ц14-46).

Проведений аналіз дозволив сформулювати цілі і задачі дійсних досліджень, що приведені вище.

В другому розділі приведені результати теоретичних досліджень робочого процесу в пристрої аеродинамічного нагріву.

Для розрахунку аеродинамічних характеристик відцентрових вентиляторів барабанного типу з великим числом коротких лопаток (які є найбільш досконалими при застосуванні в ПАН) використовуються канальні методи розрахунків.

Існуючі варіанти вирішення даних рівнянь проводяться зі значними припущеннями, що не дозволяють коректно описати течію потоку повітря у міжлопатевому каналі.

Виходячи з цих міркувань, система рівнянь (1,2,3) вирішувалася за допомогою чисельних методів. Для цього на міжлопатевий канал була накладена криволінійна ортогональна кінцево-різницева сітка. Рівняння, що описують течію потоку повітря в каналі були представлені в кінцево-різницевій формі. Як граничні умови використовувалися рівномірні розподіли швидкості і тиску уздовж каналу, обумовлені результатами експериментальних досліджень.

Розрахунок течії у міжлопатевому каналі, виконаний відповідно до приведених вище залежностєй, є суттєво ідеалізованим.

Урахування впливу в'язкості робочого середовища, у суміжному шарі на робочій і тильній поверхнях лопатки колеса вентилятора дозволить одержати більш реальну картину течії в міжлопатевому каналі.

Аеродинамічні характеристики ПАН (потужність, к.к.д.) розраховувалися за відомими залежностями.

Пристрій аеродинамічного нагрівання повинен містити в собі контур рециркуляції з мінімальним аеродинамічним опором. З експериментальних досліджень, що проводилися у третьому розділі дійсної дисертації, визначено, що такі параметри має розімкнений сегментний тороподібний трубопровід, сполучений із вхідним і вихідним перетинами вентилятора. Оскільки геометрична побудова такого трубопроводу є складною задачою, розроблені методика й алгоритм розрахунку цього контуру рециркуляції.

У третьому розділі приведені методика і результати експериментальних досліджень.

Експериментальні дослідження з визначенням аеродинамічних характеристик відцентрового вентилятора і параметрів потоку при вході в міжлопатевий канал колеса вентилятора і на виході з нього проводилися на аеродинамічному стенді з всисаючою камерою. Визначення параметрів потоку на вході в міжлопатевий канал і на виході з нього здійснювалися за допомогою циліндричного пневмометричного насадка.

Дослідженням піддавався відцентровий вентилятор барабанного типу, основні геометричні характеристики якого подані у таблиці.

Основні геометричні характеристики вентилятора Ц14-46

При визначенні параметрів потоку у відцентровому вентиляторі виміри проводилися в чотирьох взаємно перпендикулярних перетинах; при цьому (для кожного перетину) пневмометричний насадок встановлювався чотирьох точках уздовж ширини колеса таким чином, щоб вони лежали в одній плоскості, перпендикулярній осі обертання колеса. Коефіцієнт безрозмірного розходу змінювався від 0 до 2,0.

Користуючись методикою розрахунків просторового трубопроводу, поданого в розділі 2 цієї дисертації, виготовлено і випробувано шість варіантів контурів рециркуляції даної конструкції, що відрізняються значеннями відносного радіуса повороту і кута повороту сегмента.

Дослідження проводилися на аеродинамічному стенді (визначався коефіцієнт місцевого аеродинамічного опору) і безпосередньо на пристрої аеродинамічного нагріву повітря (визначався безрозмірний коефіцієнт потужності відцентрового вентилятора).

Визначення характеристик пристрою аеродинамічного нагріву повітря здійснювалося за допомогою аеродинамічної труби.

У результаті експериментальних досліджень отримані аеродинамічні характеристики досліджуваного вентилятора (рис. 2), з яких видно, що характеристика безрозмірного коефіцієнта тиску вентилятора стабільна (=2,7…2.9) у діапазоні від 0,6 до 1,7 і лише при подальшому збільшенні відбувається її монотонне поменшання; безрозмірний коефіцієнт потужності є зростаючою функцією від витрати вентилятора ; ці факти свідчать про можливість підвищення потужності вентилятора за рахунок використання контуру рециркуляції з мінімальним аеродинамічним опором, що дозволяє одержати робочу точку на характеристиці вентилятора з максимальними значеннями витрати і, відповідно, потужності.

З метою уточнення математичної моделі визначалися параметри потоку на вході у міжлопатевий канал колеса вентилятора і на виході з нього, як-от: кути атаки ₁ (рис. 3а), кути виходу ₂ (рис. 3б), коефіцієнти швидкості w₁/u₂ (рис. 3в) і w₂/u₂ (рис. 3г), коефіцієнтів місцевих втрат тиску _вх (рис. 3д), _сп (рис. 3е) вхідної частки і, відповідно, спірального корпуса відцентрового вентилятора.

За результатами випробувань трьох моделей ПАН визначався коефіцієнт безрозмірної потужності вентилятора і вибраний варіант (рис. 4), що забезпечує реалізацію максимальної потужності відцентрового вентилятора. Він являє собою розімкнутий сегментний тороподібний трубопровід, сполучений із вхідним і вихідним перетинами вентилятора.

Випробування контуру рециркуляції на аеродинамічному стенді й в ПАН дозволили визначити вплив геометричних параметрів на коефіцієнт місцевого опору контуру і на параметри потужності вентилятора. Встановлено, що мінімальному аеродинамічному опору (_кр=1,7) відповідає контур рециркуляції із відносним радіусом повороту R/D₂=0,75…0,8 при куті повороту сегментів трубопроводу відносно друг друга (=6,65^о - 7,05^о). Даний варіант контуру забезпечує реалізацію максимального безрозмірного коефіцієнта потужності (=6,8). За результатами експериментальних досліджень отримане сімейство аеродинамічних характеристик, що залежить від кута установлення поворотної заслінки, розташованої в контурі рециркуляції безпосередньо за вихідним перетином спірального корпуса.

У четвертому розділі викладені результати розрахунків конструкційних параметрів і режимів роботи ПАН як опалювально-вентиляційного агрегату кабіни машиніста локомотива, а також техніко-економічне обґрунтування доцільності використання пристроїв даного типу на локомотиві.

З розрахунків математичної моделі, відкоригованої результатами експериментальних досліджень було виконано чисельний експеримент з метою визначення раціональних геометричних параметрів відцентрового вентилятора. Як фактори впливу використовувалися такі параметри:

- для колеса відцентрового вентилятора кут входу ₁ - (80^о…90^о), кут виходу ₂ - (160^о…180^о) і відносний діаметр входу - (0,75…0,85);

- для спірального корпуса відносне розкриття спіралі - (0,4…0,6), відносна ширина корпусу - (0,6…0,8).

Як функція відгуку використовувався безрозмірний коефіцієнт потужності вентилятора .

За допомогою математичної моделі були отримані аеродинамічні характеристики ПАН з раціональними параметрами елементів конструкції, які показані на рис. 5, де також приведені характеристики відцентрового вентилятора Ц14-46. Порівнюючи ці характеристики можна визначити, що:

- розроблена математична модель є адекватною, тому що розбіжність між розрахунковими та експериментальними аеродинамічними характеристиками цього вентилятора не перевищує 4%;

- застосування відцентрового вентилятора з раціональними геометричними параметрами дозволяє підвищити на 15% потужність ПАН.

Як базова модель був прийнятий тепловоз 2ТЭ121, з яким проводилося зіставлення характеристик ПАН.

Виходячи з формул перерахунку аеродинамічних характеристик вентиляторів і аналізу шумових характеристик відцентрового вентилятора можна визначити, що для заданої потужності ПАН треба використовувати максимально можливий діаметр колеса відцентрового вентилятора, а потім визначати потрібну частоту обертів колеса вентилятора.

На підставі цих рекомендацій вибраний діаметр колеса вентилятора складає D₂=310 мм.

Для базового тепловоза максимальні тепловтрати при температурі навколишнього середовища -30 ^оС і температурі повітря в кабіні машиніста +20 ^оС складають 6,67 кВт. Для даних значень діаметра колеса вентилятора, виходячи з конструкційних потреб, необхідної теплової потужності й отриманого безрозмірного коефіцієнта потужності пристрою аеродинамічного нагрівання частота обертів колеса відцентрового вентилятора повинна складати 1500 об/хв.

Рівень шуму працюючого устрою аеродинамічного нагрівання в перетині вихідного колектора складає 74 дБ, що відповідно з ГОСТ 12.2.056-81 «Електровози і тепловози колії 1520 мм» є припустимим.

При експлуатації ПАН на локомотиві слід використовувати регульований за частотою обертів електропривод з метою економічної зміни аеродинамічних характеристик пристрою.

Економічний ефект від впровадження пристрою аеродинамічного нагріву повітря як опалювально-вентиляційного агрегату складає 1400 гривень на одну секцію тепловоза.

Основні результати і висновки

Приведено обґрунтування можливості використання в системі опалення і вентиляції кабіни машиніста локомотива пристрою аеродинамічного нагріву повітря і напрямку можливого удосконалення цієї конструкції.

Розроблено математичну модель процесів, що утворюються у ПАН, яка дозволяє визначити вплив основних геометричних параметрів конструкції.

Розроблено методику розрахунку сегментного розімкненого тороподібного трубопроводу у тримірному просторі, який дозволяє отримати максимальну потужність ПАН.

З експериментальних аеродинамічних характеристик відцентрового вентилятора визначено, що на ділянці характеристики при від 0,8 до 1,7 існує зона стабільності при незмінному зростанні , що дозволяє значно підвищити характеристики потужності ПАН при використанні контуру рециркуляції з мінімальним аеродинамічним опором.

За допомогою визначення аеродинамічних параметрів потоку при вході у міжлопатевий канал колеса вентилятора і на виході з нього визначені невідомі коефіцієнти математичної моделі, яких не вистачає, як-от: кут атаки _1, кут виходу _2, коефіцієнти швидкості w₁/u₂ і с₂/u₂, коефіцієнти місцевих втрат тиску _вх і _сп вхідної частини і, відповідно, спірального корпуса відцентрового вентилятора. Крім цього, за допомогою отриманих параметрів потоку на вході та виході з міжлопатевого каналу колеса відцентрового вентилятора отримана його аеродинамічна характеристика, яка збігається з характеристикою, що отримана за допомогою класичної методики.

З експериментальних досліджень визначено, що контур рециркуляції ПАН у вигляді розімкнутого сегментного тороподібного трубопроводу з мінімальним аеродинамічним опором _кр=1,7, що забезпечує максимальну потужність =6,8, має відносний радіус повороту R/D₂=0,75…0,8 і кут повороту сегментів трубопроводу відносно друг друга =6,65^о…7,05^о.

Отримані регулювальні аеродинамічні характеристики та характеристики потужності ПАН при його роботі в контурі споживача, тобто опалення (вентиляції) кабіни машиніста. Виходячи з вимог до потужності ПАН та необхідної витрати повітря, що подається в кабіну машиніста, визначено раціональний кут повороту заслінки =5^о у контурі рециркуляції для режиму опалення, та =40^о для режиму вентиляції, при якому контур рециркуляції є повністю перекритий.

За допомогою отриманої й відкоригованої математичної моделі розрахунку ПАН проведено чисельний експеримент, з якого визначено, що раціональними параметрами для колеса відцентрового вентилятора є кути входу лопатки ₁=87^о, і виходу ₂=177^о при відносному діаметрі входу =0,83, а для спірального корпусу =0,5, =0,7. Раціональні геометричні параметри елементів відцентрового вентилятора дозволяють отримати на робочому режимі безрозмірний коефіцієнт потужності ПАН =7,3.

Проведені теоретичні та експериментальні дослідження дозволяють провести компонування ПАН на локомотиві як ОВА, який забезпечує усі необхідні параметри з теплової потужності, температури, постачанню повітря та рівню шуму.

Економічний ефект від впровадження ПАН складає 1400 гривень на одну секцію тепловоза.

Технічні показники розробленого пристрою аеродинамічного нагріву повітря дозволяють рекомендувати його для застосування як опалювально-вентиляційний агрегат кабіни машиніста локомотива.

Список опублікованих автором праць за темою дисертації

1. Куліков Ю.А., Кузьменко С.В., Кущенко О.В. Дослідження закономірностей і оптимізація параметрів аеродинамічного перетворення механічної енергії в теплову в екологічно чистих пристроях обігріву. // Вісник Східноукраїнського державного університету. Видавництво СУДУ. Серія Транспорт, 1996. - с. 171-175.

Куліков Ю.А., Кузьменко С.В. Математичне моделювання процесів в пристроях аеродинамічного нагрівання повітря. // Придніпровський науковий вісник, Видавництво «Наука і освіта». Серія Машинобудування. №51 (62), 1997. - с. 44-48.

Куліков Ю.А., Кузьменко С.В., Кущенко О.В. Чисельний розрахунок розподілу швидкості і тиску по профілю рясних гратів канальним методом. // Придніпровський науковий вісник, Видавництво «Наука і освіта». Серія машинобудування та технічні науки. №28 (95), 1998. - c. 5-12.

Куліков Ю.А., Кузьменко С.В., Кущенко О.В. Оптимізація геометричних параметрів і режимів роботи системи рециркуляції пристрою аеродинамічного нагріву повітря. // Придніпровський науковий вісник, Видавництво «Наука і освіта». Серія Технічні науки. Інформатика. №101 (168), 1998. - с. 77-84.

Куліков Ю.А., Кузьменко С.В., Кущенко А.В. Використання пристрою аеродинамічного нагріву повітря в опалювально-вентиляційному агрегаті кабіни машиніста. // Тези доповідей VII міжнародної науково-технічної конференції по проблемам розвитку рейкового транспорту. Росія, Новочеркаськ, 21-25 вересня 1998 г. - с. 24

Размещено на Allbest.ru